Summary
Les gaz de combustion des centrales est une source de CO 2 pas cher pour la croissance des algues. Nous avons construit "gaz de combustion à des algues de culture" prototype systèmes et décrit comment redimensionner le processus de culture des algues. Nous avons démontré l'utilisation d'un modèle bio-réaction de transfert de masse afin de simuler et de concevoir le fonctionnement optimal du gaz de fumée pour la croissance de la Chlorella sp. en algues photobioréacteurs.
Abstract
Les gaz de combustion des centrales électriques peut promouvoir la culture d'algues et de réduire les émissions de gaz à effet de serre 1. Les microalgues non seulement capter l'énergie solaire plus efficacement que les plantes 3, mais aussi la synthèse de biocarburants avancés 2-4. Généralement, le CO 2 atmosphérique n'est pas une source suffisante pour soutenir la croissance des algues maximale 5. D'autre part, les fortes concentrations de CO 2 dans les gaz d'échappement industriels ont des effets néfastes sur la physiologie des algues. Par conséquent, les deux conditions de culture (tels que les nutriments et la lumière) et le contrôle de l'écoulement des gaz de combustion dans les photobioréacteurs sont importants pour développer un "gaz de combustion pour les algues" système efficace. Les chercheurs ont proposé différentes configurations de photobioréacteur 4,6 et 7,8 stratégies de culture avec du gaz de carneau. Ici, nous présentons un protocole qui montre comment utiliser des modèles pour prédire la croissance des microalgues en réponse à carneau réglages de gaz. Nous PERForm deux illustrations et modèle simulations expérimentales pour déterminer les conditions favorables à la croissance des algues avec du gaz de combustion. Nous développons un modèle basé Monod couplé avec le transfert de masse et les équations d'intensité de lumière pour simuler la croissance des microalgues dans un photo-bioréacteur homogène. La simulation du modèle compare la croissance d'algues et de combustion des consommations de gaz sous différents réglages des gaz de combustion. Le modèle illustre: 1) comment la croissance des algues est influencée par différents volumétriques coefficients de transfert de masse de CO 2; 2) comment nous pouvons trouver optimale concentration de CO 2 pour la croissance des algues par l'approche d'optimisation dynamique (DOA), 3) la façon dont nous pouvons concevoir un rectangulaire marche-arrêt impulsion de gaz de combustion pour favoriser la croissance de la biomasse d'algues et de réduire l'utilisation de gaz de fumée. Sur le plan expérimental, nous présentons un protocole pour la croissance de la Chlorella sous le gaz de carneau (produit par la combustion de gaz naturel). Les résultats expérimentaux valident qualitativement les prédictions du modèle que le gaz à haute fréquence de combustion puGE peuvent améliorer de manière significative la culture des algues.
Protocol
Une. Culture d'algues et Scale-up
- Préparer le milieu de culture en utilisant de l'eau déminéralisée contenant 0,55 g / L -1 urée, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0,102 g / L -1 MgSO 4 · 7H 2 O, 0,015 g / L -1 FeSO 4 · 7H 2 O et 22,5 ul de micro-éléments (18,5 g / L -1 H 3 BO 3, 21,0 g / L -1 CuSO 4 · 5H 2 O, 73,2 g / L -1 MnCl 2 · 4H 2 O, 13,7 g / L -1 CoSO 4 · 7H 2 O, 59,5 g / L -1 ZnSO4 · 5H 2 O, 3,8 g / L -1 (NH 4) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O, 0,31 g / L -1 NH 4 VO 3 ). Ajuster le pH à 7-8 milieu. Stériliser milieu de culture par filtre de 0,22 um seringue.
- Inoculer Chlorella sp. à partir d'une seule colonie sur une plaque de gélose frais dans une secousse de flask milieu contenant 50 mL avec une anse d'inoculation stérile. algues de culture moins de 150 tours par minute et 30 ° C pendant six jours (condition de lumière continue, le flux de photons = 40-50 mol m -2 s -1). Surveiller la densité des cellules par un spectrophotomètre (OD 730).
- ML algues culture transfert 50 (phase de croissance moyen journal, OD 730> 1) dans un flacon de verre de 2 L (avec ~ 1 L milieu de culture stérilisé). Pompe à air filtré (ou CO 2) dans la culture au cours de l'incubation (pendant 5 jours).
- Transfert 1 L algues culture dans une bonbonne de verre de 20 L contenant 15 L milieu non-stérilisé culture (à ce stade, le risque de contamination microbienne est faible), alors la culture des algues sous le même état comme indiqué dans l'étape 1.3.
- Placer 15 L culture fraîche d'algues (DO 730 = 2) et 85 L de milieu non stérilisé dans un photobioréacteur de plaque plate (équipé de diodes émettrices de lumière, le contrôleur d'ordinateur, d'un mélange de gaz, analyseurs de densité optique de la cellule, le pH, oxy dissousgen, la température et le CO 2 dissous). Pomper le mélange air / des gaz de combustion dans le bioréacteur.
- Bien nettoyer à sec photobioréacteur en utilisant 70% d'éthanol après la récolte de la biomasse (OD 730> 20).
2. Laboratoire démonstration de traitement de gaz de combustion utilisant de petits Photobioréacteurs
- Inoculer des cultures d'algues dans des bouteilles en verre (200 ml / min à moyen / bouteille, DO initial 730 ~ 0,3).
- Brûler du gaz naturel et de pomper les gaz de combustion (~ 250 cm 3 min -1) à travers un entonnoir, un tube de condenseur, et un lave-bouteille de 0,5 L (contenant de l'eau / la suspension de calcaire).
- Les régulateurs de débit massique de contrôler le flux de gaz de combustion dans la culture des algues (figure 1). Impulsions de gaz de combustion comprennent deux modes: cheminée gaz-gaz de combustion et sur-off (pomper l'air à la place).
3. Kinetic modèle de développement
Le modèle cinétique suppose: (1) les cultures sont système homogènes. (2) la concentration de CO 2 et de l'intensité de la lumière dans les cultures sont les facteurs limitant pour la croissance des algues. (3) CO 2 pression partielle et son équilibre en phase liquide avec H 2 CO 3, HCO 3 - et CO 3 2 - est simplifiée avec la loi de Henry). Les équations du modèle sont:
X est la biomasse (kg · m -3). S est le CO 2 dissous (mol · m -3). P est la pression partielle en CO 2 dans la phase gazeuse (Pa). p i est la pression partielle du ième composé toxique dans le gaz (tels que les NO x et de SO x). Max.i P est la pression partielle de gaz toxique à avoir une inhibition complète de la croissance de la biomasse. η i est le coefficient empirique. K s est la constante de Michaelis-Mentende CO 2 (mol · m -3). K I est la constante d'inhibition de CO 2 (mol · m -3). K est la constante de Michaelis-Menten de l'intensité lumineuse (umol · m -2 · s -1). H est la constante de Henry pour le CO 2 (Pa · m 3 · mol -1). La K est le taux de CO 2 (hr de -1) de transfert de masse. I est l'intensité lumineuse moyenne, umol · m -2 · s -1, qui peut être calculée de la manière suivante (Eq. (3)) 9.
La définition des paramètres de modèle se trouve dans le tableau 1. Les conditions initiales supposent que la biomasse et de CO 2 dissous concentrations sont de 100 mg / L et 13 mol / L, respectivement. Le coefficient de transfert de masse volumique peut être estimée par corrélation empiriquetion de bioréacteur paramètres 10:
P g / V est la consommation de puissance du système cellulaire dans le bioréacteur (W / m 3). u GS est la vitesse superficielle de l'écoulement de gaz à travers le bioréacteur (m / sec). α, β, et γ sont des constantes liées à des conditions de mélange.
- Construire un fichier Simulink pour la simulation du modèle (captures d'écran sont donnés dans le matériel d'appui I).
- Choisissez File / New / Modèle de l'interface MATLAB pour créer un modèle Simulink, et ouverte "Library Browser" (capture d'écran 1).
- Choisissez bloc «sous-système» dans le navigateur de la bibliothèque pour créer des sous-systèmes pour l'équation 1 et 2. Faites glisser un bloc de sous-système dans le fichier de modèle Simulink, changer son nom pour "l'équation 1 ', puis répéter les mêmes étapes pour l'équation 2.
- Relier les deux sous-systèmes pour représenter des équations du modèle (1 et 2). Connecter la sortie de l'un sous-système à l'entrée de l'autre sous-système par la flèche si nécessaire. Par exemple, la concentration en CO 2 dissous est l'output dans l'équation 2 sous-système, et également l'entrée du sous-système de l'équation 1.
- Utilisez "Générateur d'impulsions" bloc que les entrées pour 'équation 2' pour simuler les on-off CO 2 impulsions; utiliser le bloc "Constante" que la valeur d'entrée de lumière de surface. Double cliquez sur les blocs de modifier les paramètres tels que le temps de période et d'amplitude.
- Choisissez bloc «Mux 'dans le navigateur de la bibliothèque. Connectez toutes les sorties de «multiplexeur» et connectez-le à «Pour l'espace de travail« bloc qui stocke les résultats simulés.
- Définir le «temps d'arrêt de Simulation» sur la barre d'outils, cliquez sur le bouton "
"Pour commencer la simulation, et les résultats seront affichés dans l'espace de travail MATLAB (capture d'écran 4).
"Pour commencer la simulation, et les résultats seront affichés dans l'espace de travail MATLAB (capture d'écran 4). Pour trouver les changements de l'entrée afflux CO 2 profil (P opt) qui maximisent la production de biomasse 11, la fonction MATLAB »de fmincon 'et CVP (vecteur de commande paramétrage) 12 sont utilisés. Figure 2 illustre l'algorithme d'optimisation (voir les codes de programmation MATLAB dans le soutien Matériel II).
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Representative Results
Notre analyse expérimentale précédente indique que l'exposition des gaz de combustion en continu affecte négativement la croissance de Chlorella, tout en diminuant le temps de CO 2 de l'exposition est en mesure d'atténuer cette inhibition 13. Pour mieux comprendre l'entrée de gaz de carneau et de la relation de la croissance d'algues, on développe un modèle empirique pour simuler la croissance de la biomasse en présence de gaz de combustion. Nous supposons que les gaz de combustion contient 15% de CO 2 (note: La concentration typique de la combustion de charbon CO 2 est de 10-15%, tandis que les gaz de combustion de la centrale d'oxy-combustion a CO 2> 15%). Le transfert de masse et les paramètres de croissance d'algues sont basés sur le tableau 1. La simulation du modèle teste trois méthodes pour éviter l'inhibition de la croissance par les gaz de combustion: 1. Conserver à faible débit dans la culture afin de réduire la condition de transfert de masse. 2. Impulsions sur-off de gaz de combustion dans la culture. 3. Contrôler les afflux de CO 2 compositions au niveau optimal.
(figure 3a), ce qui indique que optimale taux de transfert de masse (K La = 0,17 à 0,18 h -1) est en mesure de réduire l'inhibition de gaz de combustion pour la croissance des algues. Si K La est inférieure ou supérieure à la valeur optimale, la croissance des algues est réduite. Equation 4 indique la diminution de l'aération et la circulation du gaz à travers la culture peut réduire le coefficient de transfert de masse. Tableau 2 montre la façon dont le débit (à savoir, la vitesse superficielle) affecte la croissance des algues. En général, faible débit réduit et prévient La K 2 CO inhibition de la croissance des algues dans la même tendance à la figure 3. Réduire davantage le taux d'écoulement à travers le bioréacteur causera trop faible coefficient de transfert de masse pour fournir suffisamment de CO 2 pour la croissance des algues (figure 3b).
Deuxièmement, nous introduisons un conduit-ga on-offs en mode d'impulsion pour surmonter l'inhibition de la croissance, si le transfert de masse des gaz de combustion est élevée La K dans le photobioréacteur (c. = K La 17 h -1). Dans la simulation, nous supposons que les cultures d'algues sont puisées avec deux concentrations de CO 2 différents (15% pour les gaz de combustion sur et 0,04% de CO 2 atmosphérique pour des gaz de combustion-off). Afin d'optimiser le mode d'impulsion des gaz de combustion, des fréquences différentes de marche-arrêt sont testés (figure 4). La simulation montre que des impulsions de gaz à haute fréquence de combustion (marche-arrêt contrôle des gaz de combustion) sont capables de promouvoir la croissance des algues. Tableau 2 indique également que le mode de commande de marche-arrêt utilise moins de gaz de fumée sont comparés à l'alimentation en continu de gaz de fumée dans le bioréacteur.
Troisièmement, nous calculons CO 2 profils de concentration pour une croissance maximale des algues. Utilisation des paramètres du modèle dans le tableau 1, l'approche d'optimisation dynamique montre les optimales concentrations de CO 2 dans la phase gazeuse doivent être continuellement augmenté au cours de la croissance des algues. simulation du modèle montre également que les deux CO 2 impulsions sur-off (méthode 2) et le contrôle des émissions de CO 2 d'entrée optimal (méthode 3) sont également bonnes pour favoriser la croissance des algues avec les gaz de combustion (Figure 5).
Figure 1. Schéma du système de contrôle de gaz on-off à l'échelle du laboratoire. Les débits de gaz de combustion générés par la combustion naturelle sont contrôlés par le système de contrôle de débit massique avant introduit dans le système d'algues. Cliquez ici pour agrandir l'image .
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Figure 2. Organigramme des procédures d'optimisation dynamique. Cliquez ici pour agrandir l'image .
Figure 3. Concentration en biomasse finale au jour 12 en fonction de K La sous traitement de gaz de combustion continue (CO 2, 15% v / v) (a), et la comparaison de la croissance de la biomasse avec différents K La: 0,017 h-1 (ligne bleue) , 0,17 h -1 (ligne jaune), et 17 h-1 (ligne noire) en cours de traitement des gaz de combustion en continu (CO 2, 15% v / v) (
Figure 4. Effet de la fréquence gas-on/gas-off sur la production de biomasse en 12 jours. Le modèle suppose la micro-algues sont exposés au CO 2 (15% v / v) des impulsions à des fréquences différentes testées. Cliquez ici pour agrandir l'image .
Figure 5. La comparaison de la biomasse de croissance under optimale CO 2 profil (ligne jaune), la fréquence de marche-arrêt de 10 secondes de gaz sur / 5 min gaz-off (ligne rouge), commande marche-arrêt à une fréquence de 10 sec de gaz sur / 7 min gaz off (ligne verte), commande marche-arrêt à une fréquence de 1 min gas-on/29 min gaz-off (ligne noire), et le traitement continue avec les gaz de combustion contenant 15% (v / v) de CO 2 conditions (bleu ligne). Cliquez ici pour agrandir l'image .
Figure 6. Les résultats expérimentaux de notre précédent article 13 pour montrer l'effet d'impulsions de gaz de combustion sur la croissance de Chlorella. . (traitement des fumées) de gaz sur; gaz-off (traitement de l'air) A: 10 sec de gaz sur / 7 min gaz-off, B: 30 min gas-on/30 mingaz-off; C: 5 h de gaz sur / 7 h de gaz au large; D: la culture en agitant des ballons. La préparation de la culture a été détaillé dans la partie du protocole, et les expériences ont été menées sous la température ambiante. Cliquez ici pour agrandir l'image .
| Paramètres | Descriptions | Valeurs | Unités | Références / Notes |
| μ max | taux de croissance spécifique maximal | 0.070 | h -1 | 14 |
| k d | taux de mortalité | 0,028 | h -1 | 15 |
| K s | Michaelis-Menten de CO 2 | 0.00021 | mol · m -3 | 14 |
| K I | constante d'inhibition de CO 2 | 10 a | mol · m -3 | 16 |
| K | Michaelis-Menten de l'intensité lumineuse | 14 b | μ mol · m -2 · s -1 | 9 |
| K La | taux de CO 2 de transfert de masse | 17 | h -1 | 17 |
| H | constante de Henry de CO 2 | 3202 c | Pa · m 3 · mol -1 | 18 |
| Y S / X | coefficient d'élasticité | 100 d | (Mol CO 2) / (kg de biomasse) | 19 |
| A | Constante | 14,7 | m 3 · kg-1 | 9 |
| I 0 | l'intensité de lumière de surface | 45 e | μ photons mol · m -2 · s -1 | mesuré |
| CO 2 atmosphérique | la concentration de CO 2 dans l'atmosphère | 0,04% | fraction volumique | |
| CO 2 dans les gaz de combustion | Concentration de CO 2 dans le gaz de fumée | 15% | fraction volumique | supposé |
| X (0) | concentration de la biomasse initiale | 0,1 | kg · m - 3 | supposé |
| S (0) | la concentration de CO 2 dissous initial | 0,013 | mol · m - 3 | supposé |
Tableau 1. Paramètres utilisés dansle modèle.
K I = 10 mM, et la plage de test dans cette étude est de 0,5-10 mol · m -3;
b K = 1011 lux, ce qui est environ 14 umol · m -2 · s -1 à 20;
c H = 31,6 atm · M -1;
d 4,4 kg de CO 2 est nécessaire pour la production de 1 kg (poids sec) de biomasse;
e L'intensité de lumière mesurée est de 40-50 μ mol · m -2 · s -1;
| Vitesse superficielle / m / s | Biomasse initiale / mg / L | γ = 0,2 | γ = 0,5 | γ = 0,8 | Gaz de combustion totale utilisée en 12 jours (m 3 / m 2) | |||
| K La / m / s | Biomasse finale / mg / L | K La / m / s | Biomasse finale / mg / L | K La / m /s | Biomasse finale / mg / L | |||
| 0,001 * | 100 | 4.3 | 128 | 0,54 | 149 | 0,068 | 115 | 1,0 x 10 3 |
| 0,01 * | 100 | 6.8 | 127 | 1.7 | 132 | 0,43 | 160 | 1,0 x 10 4 |
| 0,1 * | 100 | 11 | 126 | 5.4 | 127 | 2.7 | 129 | 1,0 x 10 5 |
| 1 * | 100 | 17 | 126 | 17 | 126 | 17 | 126 | 1,0 x 10 6 |
| 10 * | 100 | 27 | 126 | 54 | 126 | 107 | 125 | 1,0 x 10 7 |
| fréquence de 10s/5min | 100 | 17 | 313 | 17 | 313 | 17 | 313 | 3,3 x 10 4 |
Croissance démographique Tableau 2. Biomasse à 15% (v / v) les gaz de combustion au jour 12 dans différentes superficielles vitesses d'écoulement de gaz. Dans ce modèle, nous supposons que K = La 17 (u gs) γ
*: En supposant que le CO 2 est pompée en continu dans le bioréacteur à débit constant.
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Discussion
Dans cette étude, nous démontrons le protocole expérimental pour étendre les cultures d'algues en photobioréacteurs. Nous examinons également plusieurs méthodes pour les entrées de gaz de combustion pour favoriser la croissance des algues. L'utilisation d'un transfert de masse et le modèle bio-réaction, nous démontrons que le coefficient de transfert de masse de CO 2 K La (déterminé par l'état de mélange bioréacteur et CO 2 vitesse superficielle) influence fortement la croissance des algues. La simulation du modèle indique en continu des impulsions de gaz de combustion sur-off avec courte largeur d'impulsion et hautes fréquences sur-off peut améliorer la croissance de Chlorella (c'est à dire à haute fréquence marche-arrêt des impulsions de gaz de combustion peuvent soutenir la croissance de la biomasse presque aussi bien que le CO optimale 2 conditions, figure 5.). Pendant ce temps, le mode de marche-arrêt permet de réduire considérablement la quantité totale de gaz de fumée qui doit être pompée à travers le bioréacteur (tableau 2), ce qui économise de l'énergie pour le transport de la quantité de gaz de combustion pour Cultiv alguesation. Le mode d'impulsion de gaz on-off peut être utilisé dans des photo-bioréacteurs ou les étangs d'algues, étant donné que le mode d'impulsions de gaz de combustion constante est beaucoup plus facile à utiliser que le contrôle dynamique de l'afflux concentration de CO 2. D'autre part, nous avons effectué des expériences de culture d'algues à l'aide de gaz de combustion. Les gaz de combustion sont pulsé dans les photobioréacteurs à une fréquence spécifique sur marche / arrêt, ce qui réduit nettement l'effet inhibiteur du gaz de combustion et augmente la production de biomasse sont comparés à des cultures à l'aide de CO 2 dans l'atmosphère (Figure 6) 13. Les résultats expérimentaux ont vérifié qualitativement notre modèle et a confirmé que la commande marche-arrêt du gaz de combustion est efficace pour augmenter la croissance de Chlorella.
Enfin, cette étude de modèle est soumis à plusieurs contraintes. Tout d'abord, le modèle ne considère pas directement les effets de composés toxiques tels que le SO x et NO x dans les gaz de combustion. Deuxièmement, ee et les équilibres des réactions chimiques dans le milieu de culture (notamment le CO 2, H +, OH -, NH 3, etc) sont simplifiées. Troisièmement, le modèle ne tient pas compte de CO 2 de la dynamique des fluides, où le transfert de la masse gazeuse réelle n'est pas instantanée ou homogène dans un milieu de culture. Cependant, les approches modèles simplifiés ont encore des applications pratiques pour fournir des lignes directrices pour l'optimisation de la croissance des algues.
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Disclosures
Ces auteurs n'ont rien à révéler.
Acknowledgments
Cette étude est soutenue par un programme NSF (recherche expériences pour étudiants de premier cycle) à l'Université de Washington à St. Louis.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Spectrophotometer | Thermal Scientific, Texas USA | ||
| CO2 gas analyzer | LI-COR, Biosciences, Nebraska USA | ||
| Mass flow controllers | OMEGA Engineering INC, Connecticut USA | FMA5416 | |
| Data acquisition card | Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA | USB-1208FS | |
| Filters | Aerocolloid LLC, Minnesota USA | ||
| MATLAB/Simulink | Mathworks, Massachusetts USA | R2010a | |
| Glass bottles | Fisher USA |
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